112Основные принципы развитии видеоизмерительных систем для «стерильных (бесконтакных) измерений»
Епифанцев Кирилл Валерьевич
кандидат технических наук, доцент, Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения, [email protected]
Современная промышленность, работающая над процессами радиоэлектронных технологических кластеров, а также медицинских компонентов, протезов, создания инновационных имплантирующихся механизмов, ставит стерильность деталей превыше всего - в процессе изготовления и последующего контроля изделия. Во многом это отражается и на стоимости изделий, так как чем оно сделано в более стерильных условиях, тем у него есть некоторая добавленная стоимость, следовательно оно более качественно работает, не имеет «конфликтов» в процессе сборочных операций с живой тканью или процессором компьютера. Однако, в процессе измерений детали специалисты ОТК для оценки ее качества должны подробно измерить данную деталь, непременно прикоснувшись к ней измерительными приборами. Этот процесс уже не позволяет говорить об абсолютной стерильности изготовления изделий. Следовательно, в данном контексте необходимо воспользоваться бесконтактными измерениями, что конечно бы, сохранило стерильность радиокомпонентов. Видео-измерительные технологии в настоящий момент времени позволяют реализовать данный процесс.
Ключевые слова: видеоизмерительные системы, чувствительность и точность приборов, новые технологии измерений
Видеоизмерительная машина вплотную ассоциируется с 3D сканированием обь-екта, позволяющем быстро получить копию обьекта , направив лишь на него обьек-тив. Однако, процесс создания машин для бесконтактных измерений имеет большую историю. И связан он, прежде всего с желанием художников и дизайнеров ускорить процесс создания скульптур за счет компоновки множества мини- обьемных изображений.
Первые опыты по созданию видеоизмерительных систем сделал Франсуа Вильем в 1860 году, он был французским художником, живописцем, скульптором и фотографом. Он изобрел процесс создания портретной скульптуры с использованием совмещенных снимков-проекций для создания в будущем скульптуры из гипса. Он ставил фигуру, фиксировал на фотопленку ее с 4-х сторон, затем, проглядывая снимки, получал скульптуру в «натуре». С этого момента в мире закрепилось понятие фотоскульптуры, это был прототип современного 3D-сканера. В дальнейшем процессы сканирования и измерения во время сканирования или фотографирования обьекта все время соприкасались, они были связаны, прежде всего, с тенденцией развития микроскопов. Первый 3D-сканер увидел свет в 1960 году, но он имел весьма ограниченные возможности. С этого момента многие производители оптических систем и измерительного оборудования начали производить гибридные версии микроскопов, использовать более совершенные измерительные линейки внутри микроскопов, произошла интеграция принципов сканирования в оборудование для бесконтактного измерения.
Стенфордский кролик — тестовая трехмерная полигональная модель, созданная Грегом Тёрком и Марком Левоем в Стенфордском университете в 1994 году.Модель «Кролик» содержит данные о 69 451 треугольнике, полученном при 3D-сканировании керамической фигурки кролика. По сути здесь был применен метод конечных элементов - многократно уменьшенных скульптур, вписанных в сложную геометрическую форму.
Рисунок 1- 3й Модель кролика
С этого момента многие производители оптических систем и измерительного оборудования начали производить гибридные версии микроскопов, использовать более совершенные измерительные линейки внутри микроскопов, использовать измерительные микроскопы, к которым были дополнительно вмонтировны контактные щупы. Универсальные измерительные микроскопы переродились в видеоизмерительные системы.
Началась эра развития цеховых и компактных видеоизмерительных машин [1]. Виды современных видеоизмерительных систем представлены на рисунке 2. В данной статье представлены видео-измерительные машины компании МКу^о, обладающие широкоми компетенциями при создании данных систем. На рисунке 2 данные системы были разделены на 4 группы. На первом месте находится наиболее известная «историческая» модель видеопроектора, работающего по принципу увеличения тени изображения, данный принцип был реализован еще в первых киноаппаратах. На втором и третьем месте 3D сканер (который также нам известен благодаря методу Франсуа Вильема) и измерительный микроскоп, который был изобретен 1595 году За-хариусом Йансеном. смонтировавшем две выпуклые линзы внутри одной трубки, уже в ХХ веке, добавив в микроскоп измерительные шкалы, был получен видеоизмерительный микроскоп. На 4 месте Рисунка 2 находится вершина передовых измерительных технологий - видеоизмерительная машина, способная сочетать в себе функции трех описанных ранее приборов [3].
Рисунок 2- Виды современных видеоизмерительных систем
В современном мире этот отдельный класс измерительных систем делится на 4 типа:
• Измерительные проекторы (используются для многократного увеличения профиля детали и вывода ее на экран с координатной сеткой с помощью системы линз. Используется только бесконтактный метод);
• 3D сканеры (используются для реверсивного инжиниринга и создания пакета чертежей детали для прототипа в достаточно быстром режиме. Используется контактный и бесконтактный метод);
• Измерительные микроскопы (применяются для измерения компонентов радиоэлектроники или небольших изделий приборостроения. Используется только бесконтактный метод);
• Видеоизмерительные системы (используются для получения линейных и диаметральных 2D и 3D габаритных деталей. Используется контактный бесконтактный метод);
Рассмотрим наиболее передовые образцы ВИМ ВИМ М|1у1о]о имеет следующие подклассы:
Рисунок 2 - Подклассы видеоизмерительных систем
ВИМ Quick Scope обладает следующими преимуществами:
• Разрешение 0,1 мкм и диапазон измерений 150 мм по оси Z.
• Моторизованный зум-объектив позволяет легко и быстро менять увеличение.
• Точная и гибкая настройка подсветки для соответствия поверхности любой детали.
• Система быстрой блокировки стола позволяет переключаться между грубым и плавным перемещениями.
Для измерительных задач большого количества элементов и требующих массового выполнения сходных операций, связанных с поточным масштабированием, рекомендуется применять видеоизмерительные машины с ЧПУ Quick Vision
Технология обработки изображений измеряемого объекта с помощью программного обеспечения и управление системой дают высокую скорость, что обеспечивает
MiSCAN Hyper/Apex
быстрое получение результатов. Это делает видеоизмерительные машины Quick Vision отличным решением для задач по замеру сразу нескольких элементов изделия, поскольку автоматическая фокусировка и бесконтактный датчик обеспечивают оптимальный алгоритм перемещений и выполнение высокоточных измерений в контрольных точках. Видеоизмерительная машина А ULTRA Quick Vision 404 PRO Видеоизмерительная установка модели ULTRA Quick Vision 404 PRO (QV-U404T1N-D Ultra) производства Mitutoyo - это уникальная машина с ультравысокой субмикронной точностью. Эта модель оснащена функцией автоматической компенсации температуры, которая использует датчик температуры на основном блоке измерительной машины и датчик температуры детали, что гарантирует заявленную малую погрешность.
Устройство видеоизмерительной машины Quick Image [2] использует оптическую систему для увеличения изображения деталей, установленных на предметное стекло, вводит координатные данные в положение для измерения и выводит видеоизображение с блока наблюдения на камеру. Столик для измерений и оптическая система перемещаются с помощью электродвигателя, управляемого компьютером. Эти движения фиксируются с помощью встроенной шкалы, обеспечивая отсчет положений измерения.
Она представляет собой новую концепцию в 2D видео измерительных приборах и предоставляет уникальные возможности для улучшения эффективности измерения.
Видеоизмерительные машины MiSCAN MVS-HYPER и MVS-APEX сочетают в себе бесконтактные оптические измерения за счет передовой обработки изображений со сканирующими контактными измерениями: • Модель MVS-HYPER 302 может быть оснащен миниатюрным датчиком MPP-Nano или сканирующим датчиком SP25M. • MPP-Nano - это высокоточный сканирующий датчик для измерения мельчайших деталей, в котором используются щупы с диаметром наконечника от 125 мкм до 500 мкм. M-Nanocord - это 3D ВИМ с ультравысоким разрешением с системой ЧПУ.
• Машина способна совершать очень точные движения для непревзойденной точности измерения формы в нанометровой области.
• Лазерный датчики Holoscale с разрешением в один нанометр и практически нулевым коэдфи- циентом теплового расширения обеспечивает крайне точные измерения (0,2 0,1L/100) мм.
UMAP (Ultra Micro Accurate Probe) это система для измерения микроформ UMAP имеет следующие преимущества:
• Функции высокоточного контактного и бесконтактного измерения в одном приборе.
• Установлены контактный (датчик с микрощупом UMAP) и неконтактный (видеодатчики) измерительные датчики.
• Позволяет измерять микро особенности составных частей, ранее невозможных для измерения.
Рисунок 3 - Измерение микродеталей на ВИМ (верхнее фото) с помощью ОЭ-Рак (нижнее фото), увеличение в 11 раз.
Для работы с видеоизмерительными машинами применяется ПО QS-Pak (Рисунок 3), позволяющее анализировать изображение, применять более четкие настройки контура и освещенности.
Таким образом, нужно отметить, что многообразие видеоизмерительных систем увеличивается с большой скоростью, как отдельный вид бесконтактных измерений, однако всегда необходимо говорить о погрешности подобных измерений. На качество таких измерений могут действовать запыленность воздуха, наличие или отсутствие бликов, прерывистый дневной свет, пульсация светодиодных ламп, цвет (черный, коричневый, белый) и блики от деталей. Это говорит о том, что очевидно в методике измерений к данным машинам необходимо учитывать такие требования к освещению, как коэффициент естественного освещения (КЕО), приемлемая мощность светового потока, длины световой волны, параметров затемнения рабочего пространства. Важно также проводить предварительную очистку деталей от загрязнений, следов масла, пыли. Необходимо учитывать тот факт, что от воздействия искажения поверхности изображения за счет разной частоты мерцания комбинированной освещенности также может пострадать точность изображения.
Литература
1. Мокрицкий Б.Я., Усова Т.И., Морозова А.В.. Расширение технологических возможностей видеоизмерительных мультисенсорных систем// Вестник Брянского государственного технического университета № 7 (60) 2017. С. 70-75
2. Виды видеоизмерительных систем Митутойо. Электронный ресурс.URL https://mitutoyo.ru/ru_ru/products/vision-measuring-systems. Дата обращения 25.02.2022г
3. Епифанцев К.В., Ефремов Н.Ю.. Методология развития видеоизмерительных систем. //Метрологическое обеспечение инновационных технологий. IV Международный форум.Сб.трудов. СПб, ГУАП.2022. С. 61-62
Basic principles of the development of video measuring systems for "Sterile (non-contact) measurements" Epifantsev K.V.
Saint Petersburg State University of Aerospace Instrumentation
Modern industry, working on the processes of radio-electronic technological clusters, as well as medical components, prostheses, the creation of innovative implantable mechanisms, puts the sterility of parts above all - in the process of manufacturing and subsequent control of the product. In many ways, this is reflected in the cost of products, since the more sterile it is made in, the more it has some added value, therefore it works more efficiently, has no "conflicts" in the process of assembly operations with living tissue or a computer processor. However, in the process of measuring a part, OTC specialists must measure this
part in detail in order to assess its quality, without fail touching it with measuring instruments. This process no longer allows us to talk about the absolute sterility of the manufacture of products. Therefore, in this context, it is necessary to use contactless measurements, which of course would preserve the sterility of radio components. Video measuring technologies currently allow to implement this process. Keywords: video measuring systems, sensitivity and accuracy of instruments, new measurement technologies. References
1. Mokritsky B.Ya., Usova T.I., Morozova A.V. Expanding the technological capabilities of video-measuring multisensor systems//
Bulletin of the Bryansk State Technical University No. 7 (60) 2017. P. 70-75
2. Types of Mitutoyo video measuring systems. Electronic resource.URL https://mitutoyo.ru/ru_ru/products/vision-measuring-sys-
tems. Accessed 25.02.2022
3. Epifantsev K.V., Efremov N.Yu. Methodology for the development of video measuring systems. //Metrological support of inno-
vative technologies. IV International forum. Collection of works. St. Petersburg, GUAP.2022. pp. 61-62
